Chemie im Alltag Gärung

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Chemie im Alltag Gärung Biologie Chemie Klasse 8 13 Klasse 8 13 Trailer ansehen

2 Schlagwörter ADP; aerob; anaerob; ATP; Bakterien; Bier; Biochemie; Biotechnologie; Buttersäuregärung; Coenzym; Energie; Energiebedarf; Enzym; Filmkompetenz; Fruchtzucker; Fructose; Gärung; Glucose; Glykolyse; Hefe; Kohlenhydrate; Lebewesen; Mikrobiologie; Mikroorganismus; Milchsäuregärung; Mitochondrium; Modell; Modellkompetenz; Molekül; NAD + ; NADH; Physiologie; Propionsäuregärung; Pyruvat; Reaktion; Reduktion; Säuregärung; Stoffwechsel; Transportkette; Traubenzucker; Zelle (Biologie); Zytoplasma Systematik Biologie Chemie Berufliche Bildung Allgemeine Biologie Biologische Regelkreise, Zellenlehre Mikroorganismen Bakterien Pilze Zoologie allgemeine Zoologie Stoffwechsel Menschenkunde Stoffwechsel Biochemie Stoffwechselvorgänge Angewandte Chemie Chemie in Alltag und Umwelt Chemie, Physik, Biologie Laboratoriumstechnik Ernährung und Hauswirtschaft Lebensmittellehre 2

3 Zum Inhalt Gärung (Film 17 min) Ein Kennzeichen von Leben ist die Notwendigkeit der Bereitstellung von Energie, um die Stoffwechselvorgänge am Laufen zu halten. Es wird die Kernfrage der Bedeutung und der Herkunft der energiehaltigen chemischen Moleküle geklärt, die unsere Aktivität garantieren die ATP-Moleküle. Am Beispiel der Funktion der Muskelzellen wird die Wirkungsweise der ATP-Energieträger erläutert. Im Anschluss daran wird die Problemstellung der ATP-Synthese bei Sauerstoffmangel bearbeitet und somit die Grundlage der Gärprozesse anhand verschiedener Organismen eingeführt. Hier wird der Zusammenhang zum Alltag hergestellt, indem auf die Herstellung verschiedenster Nahrungsmittel mithilfe ausgewählter Gärprozesse im Überblick eingegangen wird. Zunächst wird modellhaft die Glykolyse in Einzelschritten als Grundlage sowohl von der Zellatmung als auch der meisten Gärprozesse anschaulich dargestellt. Ein grober Überblick über den Citratzyklus und die Atmungskette vervollständigt die Zellatmung. Basierend auf der Energiebilanz und den genannten biochemischen Reaktionen stellt sich nun das Problem der Regenerierung des Oxidationsmittels NAD +. In der Folge werden unterschiedliche Wege beschrieben, das NAD + wieder bereitzustellen, damit die Glykolyse nicht stillsteht. In diesem Zusammenhang wird zudem eine Brücke zur Übersäuerung der menschlichen Skelettmuskeln bei Sauerstoffmangel und der Energiebereitstellung in Erythrozyten und Corneazellen geschlagen. Nach der vergleichenden Energiebilanz der behandelten Gärprozesse mit der Zellatmung werden abschließend noch die eher unbekannteren Buttersäureund Propionsäuregärungen behandelt und die Unterschiede zur alkoholischen Gärung bzw. Milchsäuregärung altersgerecht und didaktisch reduziert herausgearbeitet. Filmsequenzen Die Gärung (1:50 min) Je größer und komplexer die Lebewesen, desto mehr ATP Moleküle müssen hergestellt werden. Grundlage hierfür ist der im Laufe der Evolution entwickelte effektivste Abbauweg, bei dem aus Traubenzucker über eine Kette an chemischen Reaktionen die meisten ATP-Moleküle gewonnen werden können die Zellatmung. Diese und die dabei bereitgestell- 3

4 ten ATP-Moleküle bringt eine Animation geschickt mit der Muskelbewegung in Verbindung und gelangt so von der makroskopischen auf die submikroskopische Ebene der ATP-Wirkungsweise. Die Voraussetzung für Gärung (1:50 min) Anknüpfend an den Überblick des Stoffkreislaufs werden die Schülerinnen und Schüler mit anschaulichen Modellanimationen auf den Weg in die Nahrungsmittelindustrie mitgenommen. Hier werden die Bedingungen, die für Gärprozesse vorherrschen müssen, anhand von Lebensmitteln alltagsnah vermittelt. Sie bauen auf dem bereits bekannten Vorund Grundwissen aus den unteren Jahrgangsstufen der Sekundarstufe I und dem Wissen bzgl. der Zellatmung auf. Das NAD + als Oxidationsmittel (2:20 min) Basierend auf der Glykolyse wiederholt die FWU-Produktion in diesem Kapitel unter Berücksichtigung des Citratzyklus und der Atmungskette im Überblick die Zellatmung. Im Mittelpunkt steht dabei aber das NAD + /NADH+H + -System, an dem das Fernbleiben des Sauerstoffs zum Problem hinführt: Wie kann das Oxidationsmittel zurückgewonnen werden, damit die Stoffwechselprozesse bei Sauerstoffmangel nicht zum Erliegen kommen? Die alkoholische Gärung (3:20 min) Mit dieser Sequenz wird die alkoholische Gärung vollständig und umfassend sowohl chemisch auf der Teilchenebene als 4

5 auch fächerübergreifend mit Alltagsbezügen erarbeitet. In diesem Zusammenhang werden alle bisher aufgestellten Fragen und Probleme spätestens bei der abschließenden Energiebilanz und der Toxizität des Alkohols geklärt. Die Milchsäuregärung (3:40 min) In umfassender Weise nutzt diese Filmsequenz die Darstellung der Teilchenebene, um den Schülerinnen und Schülern die Milchsäuregärung sowie deren Alltagsbedeutungen und Energiebilanzen, ergänzend zur alkoholischen Gärung, zu präsentieren. Hierbei werden die neuen sowie die bekannten chemischen Strukturen unter Berücksichtigung der beteiligten Enzyme klar vermittelt und intensiv eingeübt. Als Alltagsbeispiel dient neben der Nahrungsmittelchemie der übersäuernde Muskel, der eine Brücke zum Sportunterricht schlägt und dabei die Notwendigkeit dieser Gärung für Zellen ohne Mitochondrien wie Erythrozyten und Corneazellen hervorhebt. Vergleich der Energiebilanzen (1:20 min) An dieser Stelle wiederholt und festigt der Film in einer übersichtlichen Gegenüberstellung die erarbeiteten Energiebilanzen der Gärungen mit der Zellatmung. Weitere anaerobe Gärungen (2:40 min) Diese Filmsequenz stellt die weniger oft behandelten Buttersäure- und Propionsäuregärungen vor und geht dabei gezielt auf die Unterschiede in der 5

6 Energie bereitstellung im Vergleich zu anderen Gärungen ein. Den Schülerinnen und Schülern wird der Wissenserwerb durch eine zielführende didaktische Reduktion und der Darstellung der Differenzen an den bislang verwendeten Stoffwechselreaktionen, z. B. dem Citratzyklus, verdeutlicht und die Folgen im Alltag werden dargestellt. Valenzstrichformel und als 3-D-Molekül: ATP, ADP, NADH, NAD + sowie Pyruvat und Glucose. Grafiken Verschiedene Gärungen (5 Bilder) Die Bilder zeigen Beispiele verschiedener Gärungen mit und ohne Beschriftung: alkoholische Gärung bei Brot und Bier; Milchsäuregärung bei Sauerkraut, roten Blutkörperchen, Salami und Milch; Buttersäuregärung im Pansen von Wiederkäuern; gemischte Säuregärung bei Salmonellen; Propionsäuregärung bei Käse. Vergleich der Energiebilanzen (Grafik) Die Grafik vergleicht die Mengen an ATP, die bei der Umwandlung von einem Glucosemolekül bei der Zellatmung, der alkoholischen Gärung und der Milchsäuregärung entstehen. Wichtige Moleküle (12 Grafiken) Diese Grafiken zeigen Moleküle, die bei der Energiegewinnung von Organismen eine wichtige Rolle spielen, in der Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen Überblick über die Notwendigkeit der Energie für Lebewesen; lernen die Bedeutung energiereicher Stoffe, wie z. B. Glucose, für Lebewesen kennen; erhalten einen Überblick über die wichtigsten Energiebereitstellungsprozesse; kennen den Ablauf der Glykolyse; unterscheiden die Bedeutung der ATP-Moleküle von den Reduktionsäquivalenten wie NADH+H + ; begreifen die Bedeutung der Bereitstellung von Redoxäquivalenten für die Aufrechterhaltung chemischer Stoffwechselprozesse; 6

7 erhalten einen detaillierten Einblick in die unterschiedliche Effizienz verschiedener Energie bereitstellender Stoffwechselvorgänge; verstehen die Bedeutung des Sauerstoffs für die Energiebereitstellung; erkennen die Bedeutung der unterschiedlichen Gärungen sowie der Zellatmung; verstehen die Auswirkungen der Produkte ausgewählter Gärungen; differenzieren zwischen Zellatmung und Gärung; realisieren die Bedeutung aufeinanderfolgender chemischer Reaktionen; entwickeln eine Vorstellung von der Bedeutung des Sauerstoffs für Lebewesen; vergleichen den ATP-Gewinn bei verschiedenen Stoffwechselprozessen; beurteilen den Unterschied zwischen Zellatmung und Gärung; können Folgen des Ausfalls der Zellatmung und den Versuch diese durch Gärung zu ersetzen diskutieren; sind in der Lage, die Bedeutung der Chemie für die Biologie und von beiden für die Ernährung der Menschen zu erklären. Didaktische Hinweise Der Animationsfilm ermöglicht es den Schülerinnen und Schülern unterstützt durch die Arbeitsmaterialien einen Einblick in die Bedeutung der Gärungen im Vergleich zur Zellatmung zu erhalten. Hierbei ist die submikroskopische Ebene die Grundlage für die ablaufenden chemischen Reaktionen. Diese verknüpfen die Fachbereiche der Biologie und der Chemie mit ständigem Blick auf die jeweiligen Stoffwechselprozesse, die Menge bereitgestellten ATPs sowie der anfallenden Produkte und deren Bedeutung für den Menschen. Dabei werden die ablaufenden chemischen Reaktionen zielsicher mit der Produktion und den Lehrinhalten der Zellatmung abgestimmt und die Zusammenhänge mit der Stoffebene bei den Lebewesen beleuchtet. An diesen Beispielen können die Schülerinnen und Schüler die behandelten chemischen Stoffe unterschiedlichen Stoffebenen zuordnen und die Zusammenhänge zwischen Molekülen, Reaktionen und den Kennzeichen der Lebewesen als ablaufende Prozesse in deren Leben herstellen. Als Folge können Alltags- sowie Stoffwechselphänomene und deren Zusammenhänge diskutiert werden. 7

8 Die Hauptaufgabe der Lehrkraft besteht darin, mit den Schülerinnen und Schülern die Bedingungen und Auswirkungen der Abläufe auf der Teilchenebene mit den sichtbaren Ergebnissen der phänomenologischen Ebene ständig zu verknüpfen und untereinander zu vergleichen. Hierbei ist es unumgänglich, eine klare Fachterminologie zu verwenden und damit die aufeinanderfolgenden Reaktionsschritte sorgfältig zu entwickeln und anschließend zu verknüpfen. Der ständige Wechsel und die enge Verbindung zwischen den beiden Naturwissenschaften Biologie und Chemie sowie mit der Hauswirtschaft kann auf der einen Seite hervorgehoben, auf der anderen Seite als notwendig und selbstverständlich dargestellt werden. Darüber hinaus lassen die erzielten Lerninhalte einen erweiterten Blick auf Folgen und Ursachen alltäglicher, auf molekularbiochemischen Grundlagen basierender, Phänomene zu. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Themenschwerpunkte eingesetzt werden: Abbau von energiereichen Stoffen (im Unterrichtsfach Biologie sowie Chemie); Herstellung von Lebensmitteln mit Hilfe von Mikroorganismen; Übersäuerung von Muskeln durch Trainingsmangel im Sport; Bedeutung und Aufgaben der ATP- Moleküle; Traubenzucker als Energielieferant ; Reaktionsketten chemischer Reaktionen in Lebewesen; Abhängigkeit des Energiebedarfs von der Größe und Komplexität der Lebewesen; Ablauf der Glykolyse; Bedeutung des Zitronensäurezyklus als ständig ablaufender Reaktionskreislauf; Atmungskette als Energielieferant durch kontrolliert ablaufende Knallgasreaktion ; Vergleich von chemischen Reaktionen mit gleichen Edukten, aber unterschiedlichen Produkten. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen als PDF- und Word-Dateien vor. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) Bilder / Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, den Grafiken und den ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Glykolyse 2) Die oxidative Decarboxylierung des Pyruvats und der Citratzyklus (differenziert) 3) Zellatmung Übersicht und Energiebilanz 4) Milchsäuregärung 5) Abbau von energiereicher Glucose mit und ohne Sauerstoff 6) Gärung oder nicht? 7) Kreuzworträtsel Gärungen und Co. Verschiedene Gärungen: alkoholische Gärung Milchsäuregärung Buttersäuregärung gemischte Säuregärung Propionsäuregärung Vergleich der Energiebilanzen Wichtige Moleküle (jeweils s/w, eingefärbt und in 3-D): ATP ADP NADH NAD + Pyruvat Glucose Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Gärung Gärung Hauptmenü Verschiedene Gärungen Vergleich der Energiebilanzen Wichtige Moleküle Arbeitsmaterial Chemie im Alltag Gärung Film 17 min Sequenzen 5 Bilder Grafik Grafiken Untermenü Die Gärung Die Voraussetzung für Gärung Das NAD + als Oxidationsmittel Die alkoholische Gärung Die Milchsäuregärung Vergleich der Energiebilanzen Weitere anaerobe Gärungen Gärung 1:50 min 1:50 min 2:20 min 3:20 min 3:40 min 1:20 min 2:40 min Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 7 Arbeitsblätter 8 Bilder, 13 Grafiken Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben ATP ADP NADH NAD + Pyruvat Glucose Wichtige Moleküle 2 Grafiken 2 Grafiken 2 Grafiken 2 Grafiken 2 Grafiken 2 Grafiken 10

11 Produktionsangaben Chemie im Alltag: Gärung (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2017 DVD-Konzept Daniel Schaub DVD-Authoring und Design TV Werk GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Grafiken 3-D-Moleküle: Avogadro: an open-source molecular builder and visualization tool. Version Marcus D Hanwell, Donald E Curtis, David C Lonie, Tim Vandermeersch, Eva Zurek and Geoffrey R Hutchison; Avogadro: An advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform Journal of Cheminformatics 2012, 4:17. Valenzstrichformeln: SketchEL von Dr. Alex M. Clark: Bildnachweis Coverbild: thinkstockfotos.com ; marekuliasz Arbeitsmaterial Ulrich Hammon Begleitheft Katrin Opitz Pädagogischer Referent im FWU Daniel Schaub Produktionsangaben zum Film Gärung Produktion Black Sail Pictures GmbH im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2017 Buch Melanie Jahreis Daniel Schaub Animation Björn Windorf Sprecher Andreas Karg Didaktische Fachberatung Ulrich Hammon Redaktion Daniel Schaub Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2017 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Chemie im Alltag: Gärung Atmung ist wichtig für das Überleben. Manche Lebewesen benötigen dafür nicht einmal Sauerstoff sie betreiben Gärung. Die Produktion zeigt, wie diese meist sehr kleinen, aber dennoch wichtigen Lebewesen auch ohne Zellatmung Energie gewinnen. Es werden Anwendungen der Gärung besprochen und Vergleiche zur Zellatmung gezogen. Laufzeit 17 min Klasse 8 13 Sprache Film 1 Filmsequenzen 7 Arbeitsblätter 7 DE Bilder/Grafiken 21 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen Überblick über die wichtigsten Energiebereitstellungsprozesse; unterscheiden die Bedeutung der ATP-Moleküle von den Reduktionsäquivalenten wie NADH+H + ; verstehen die Bedeutung des Sauerstoffs für die Energiebereitstellung; erkennen die Bedeutung der unterschiedlichen Gärungen sowie der Zellatmung; sind in der Lage, die Bedeutung der Chemie für die Biologie und von beiden für die Ernährung der Menschen zu erklären. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 8 13 Die Gärung Die Voraussetzung für Gärung Das NAD + als Oxidationsmittel Die alkoholische Gärung Die Milchsäuregärung Vergleich der Energiebilanzen Weitere anaerobe Gärungen Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de